新型內置固定流化床的設計

李亞榮，牟光慶，惲海明，劉明潔

(1.大連工業大學食品學院，遼寧 大連 116034；2.北京中輕機乳品設備有限責任公司，北京 100038)

0 引 言

噴霧干燥技術在乳粉生產中應用廣泛，但干燥塔能耗高，效率低，為解決上述問題，NIRO公司和唐金鑫等先后提出過多段干燥技術，如唐金鑫等[1]在“我國噴霧干燥技術研究及進展”一文中提出三段干燥系統雖然一次設備投資大，但干燥效率高。隨著干燥技術的發展，三段噴霧干燥的應用逐漸廣泛[2]，近年我國也引入了三段干燥系統，即在干燥塔錐形底端增加固定流化床，將塔內干燥和振動流化床干燥連接起來形成三段干燥。

與傳統固定流化床相比新型固定流化床做了以下幾方面改進。第一，為了提高乳粉的速溶性在固定流化床的上部增加了附聚管。第二，為了制作簡單美觀，固定床的外底封頭采用圓錐形。第三，在固定流化床的落粉管處增加調粉裝置，使粉均勻下落。

1 新型內置固定流化床的組成結構

1.1 組成結構

本設計固定流化床主要由五部分組成，分別是包皮結構、附聚管、進風口、篩網和出粉系統，如圖1所示。

圖1 固定流化床主視圖

1.2 各組成部分的功能

包皮結構組成固定床輪廓，起到支撐作用，向內外包皮之間填充保濕的介質形成保溫層。附聚管連接細粉管，使細粉進入流化床，與篩網上的乳粉附聚。進風口的第二段接管與水平方向設計15°夾角，熱風進入床內與傾斜的內底封頭相遇，然后風向上折返到達篩板(圖3)，從腮形篩孔中穿出，而乳粉在篩板上的整體運動軌跡如圖3箭頭所示。篩板上每相鄰的行和列之間篩孔的開孔方向夾角均設計呈60°(圖4)，使熱風分布均勻，乳粉順利流化向前運行(圖5)，到達出粉口。出粉系統中設計粉調節裝置，可以根據生產需要調節落粉量，使粉均勻干燥。

圖2 固定床俯視圖

圖3 固定床篩板俯視圖

圖4 篩板放大圖

圖5 物料運行示意圖

2 新型內置固定流化床的作用

2.1 對乳粉進行二次干燥

固定流化床對來自塔干燥室的乳粉有進一步干燥的作用。固定流化床的工作原理[3]：散狀物料置于篩板上，熱風自下而上通過篩網，引起乳粉“沸騰”和流動。

乳粉在干燥塔中停留的時間越短越好，一般10～30 s[4]。新型固定流化床的設計使干燥塔內主要完成短時間的恒速干燥，將乳粉干燥至水含水量8%～10%[5]，接著乳粉在固定床中進行降速干燥，水分降至4%～6%后，進入振動流化床。

2.2 對乳粉進行二次附聚

附聚過程分兩個階段，首先細小顆粒相互碰撞形成中間結構；接著顆粒長大形成直徑250～750 μm的多孔大顆粒簇。附聚是速溶奶粉生產中必不可少的步驟，可以增加乳粉的速溶性，分散性和流動性[6]。一般兩段干燥系統中細粉被送至塔頂霧化區和振動流化床處進行附聚。

在三段干燥系統中，設計固定流化床時增加了附聚管，使捕集到的細粉可以通入固定床進行附聚。與兩段干燥系統相比增加了固定床附聚。

3 新型內置固定流化床的優點

3.1 節能降耗提高干燥效率

干燥效率為[7]

式中：Ti為干燥塔進口熱風溫度；To干燥塔出口排風溫度，Ta為周圍空氣溫度。

如干燥效率公式所示降低干燥塔排風溫度(To)，可提高干燥效率。由于塔排風溫度決定了出粉的含濕量，降低排風溫度To易導致從干燥室出來的乳粉含水量高(8%～10%)，乳粉易粘連。本設計使固定床置于干燥塔底端承接含濕量較高的乳粉，這部分乳粉在固定床中能繼續流化干燥，進一步脫去2%～4%的水分。因此設計固定流化床允許干燥塔排出含濕量較高的乳粉，降低排風溫度，提高干燥效率。

4 新型內置固定流化床的創新之處

4.1 固定流化床附聚接管的設計

相比于早期設計的固定流化床，本設計在距固定床上邊緣0.3 m處增加了φ0.102 m的附聚管，與水平方向呈15°夾角，既實現了細粉在固定床處的附聚；又使干燥系統的附聚增加至三級(塔頂附聚、固定床附聚、振動床附聚)，生產工藝可根據實際需要在兩極和三級附聚之間切換。

4.2 固定流化床圓錐形底封頭的設計

內包皮底封頭是與水平方向呈10°夾角的斜面，由于本設計固定床的直徑較大(φ3m)，所以必須有底封頭拉筋才能將其支撐平整。以往固定床外包皮底封頭的設計和內包皮底封頭相同，底面板幅太寬焊接后不易保持平整且支撐作用較弱。故本次新型內置固定流化床外封頭設計采用圓錐形，制作較簡單，既能克服斜面封頭不易保持平整的問題，又能起到較好的支撐作用。

5 設計中的物料衡算及熱量衡算

5.1 固定流化床主要尺寸計算

絕干物料進料量W1為

固定流化床進料量W2為

振動流化床進料量W3為

最終產品量W4為

式中：C為濃奶干物質質量分數48%；C1為固定流化床上物料含濕量9%；C2為振動流化床上物料含濕量5%；C3為最終產品含濕量3%；W0為濃奶進料量(5939 kg/h)。

乳粉的體積密度ρb為[8]

式中：ε為乳粉顆粒間的空間體積ε=0.7；ρp為脫脂乳粉的顆粒密度ρp=900 kg/m3。

落在固定床上乳粉的體積V1為

式中：W2為固定床進料量，3133 kg；ρb為乳粉的體積密度，270 kg/m3。

假設乳粉在固定床中最長停留10 min，則固定床用于流化干燥乳粉的有效容積V2：

式中：V1為落在固定床上乳粉的體積，11.6 m3/h。

篩網距離固定床頂端的最小高度為

式中：V2為固定床有效容積，1.93 m3；S為固定床篩網面積，7.07 m2。

因乳粉流化時粉層膨脹高度一般為0.2 m，為使乳粉流化空間充足，設計中篩網距床體上邊緣實際距離h1為

式中：h為篩網距離固定床頂端最小高度，0.27 m。

5.2 進風系統耗氣量的計算

表1干燥介質的狀態參數如表1所示。

5.2.1 設備熱損失[9～10]

固定床散熱面積為

式中：r為固定床外徑半徑；1.57 m；h為固定床高度，1.62 m。

表1 干燥介質的狀態參數

表面散熱損失θ為

式中：K為傳熱系數，41.8 kJ/ (m2·℃·h)；Δt為固定床表面與環境溫差，28℃；F為固定床散熱面積，23.71 m2。

單位蒸發量熱損失ΔQ為

式中：θ為表面散熱損失，27750.2 kJ/h；G為固定床蒸發量，132 kg/h。

(3)排出廢氣狀態參數

如圖6，加熱前空氣在濕焓圖上為狀態點A(d0，I0)，新鮮空氣由A點開始受熱，升溫至t1=110℃，熱焓升至I1=140 kJ/kg，此時濕含量不變d0=d1，在濕焓圖上空氣狀態點為B(d1，I1)。假設排出廢氣濕含量為d3=0.06 kg/kg

廢氣熱焓I3為

由d3和I3設定狀態點D(d3，I3)，連接BD，溫度t2=70 ℃的溫度線與直線BD交于C點，則C點即為排出廢氣狀態點，查得排出廢氣狀態參數：d2=0.025；ψ2=13%；I2=138 kJ/kg；t2=70 ℃

圖6 I-x圖解法示意圖

5.2.2 新鮮空氣耗量

(1)空氣耗量

式中：G為固定床蒸發量，132 kg/h；d0為加熱前空氣濕含量，0.012 kg/kg；d2為排出廢氣濕含量，0.025 kg/kg。

考慮20%風量損失，實際空氣耗量L1為

式中：L為計算空氣耗量，10154 kg/h。

換算成新鮮空氣的體積用量V為

式中：V0為新鮮空氣比容，V0=0.861 m3/kg干空氣；L1為實際空氣耗量12185 kg/h。

(2)風機的選擇

排風機風量按經應比進風風量高20%～30%，即

式中：V為新鮮空氣體積用量，10500 m3/h。

5.3 加熱蒸汽耗量的計算

(1)熱能消耗量

熱損失取20%，熱能消耗量Q為

式中：I0為空氣加熱前熱焓，50.2 kJ/h；I1為空氣加熱到110℃時熱焓，140 KJ/h；L1為實際空氣耗量，12185 kg/h。

(2)加熱蒸汽用量

式中：Q為熱能消耗量，1313055.6 kJ/h；I為0.6 MPa時加熱蒸汽熱焓，2755.9 kJ/kg；I0為100 ℃冷凝水熱焓，419.3 kJ/kg；η為蒸汽熱效率90%。

6 結 論

近幾年國內新建乳品廠廣泛引進三段干燥系統，旨在提高乳粉質量，降低能源消耗。與總蒸發量3 000 kg/h三段噴霧干燥塔配套設計的新型內置固定流化床，篩網距床體上邊緣高度0.50 m，附聚管與水平方向夾角15°，固定床進風溫度110 ℃，進風量1.05×104m3/h，排風量1.365×104m3/h，加熱蒸汽用量6.25×102kg/h。 新型內置固定流化床的設計一方面降低了排出熱風的溫度，提高干燥效率；另一方面增加了附聚功能和干燥環節，改善了乳粉的速溶性，圓錐形外底封頭的設計，制作簡單美觀且支撐牢固。在乳品干燥設備設計上的創新和完善，會在很大程度上推動中國乳品工業綠色發展。

[1]黃立新,王宗濂,唐金鑫.我國噴霧干燥技術研究及應用[J].化學工程，2001,29(2)：52-53.

[2]C G J BAKER,K A MCKENZIE.Energy consumption of Industrial spray dryers[J].Drying Technology,2005,23：365-372.

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[8]張和平,張列兵.現代乳品工業手冊[M].北京：中國輕工業出版社，2012：473-475.

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